近年來，一場無聲的科技革命正在海洋學界掀起，世界各國在各大洋陸續建立起了海底科學觀測網，并將其應用于海洋環境、氣候監測或大洋板塊運動等海底地質信息監測，把“實驗室”、“氣象站”建在海底，研究海洋環境的變化或海底地質地貌等。2009年加拿大建成了世界上第一個大型深海科學網NEPTUNE東太平洋海洋環境監測光纜網絡，隨之，2015年日本又建成S-NET 網以全長5400公里成為全球最長的海底光纜網，歐盟國家海底觀測網EMSO 計劃有14個國家50個單位參加，從地中海一直延伸到北冰洋，別具特色；然而無論是觀測網本身的多樣性還是科學問題的全面性，美國的大洋觀測計劃（OCEAN OBSERVATION INITIATIVE OOI）都走在最前沿。建立海底科學觀測網絡，加快對海洋的認識、研究和開發，對各國的經濟建設具有重要的現實意義。本文將詳細介紹世界各國各具特色的海底觀測網的研究與發展情況，并在此基礎上針對我國經濟發展的需求對我國開展海底觀測網建設提出參考性建議。
二、國外海底光纜傳輸網絡發展情況
⒈美國00I海洋觀測網
美國是世界上第一個利用海底光纜聯網進行科學觀測的國家，經過十幾年的科學研究已形成了較為先進的海底科學觀測網計劃。經過多年的努力，大洋觀測計劃（OOI）于2016年6月全面建成并啟用。OOI觀測網觀測形式多種多樣，一是通過海底光電復合纜有纜連接方式，為水下持續提供電源和傳輸數據。二是錨系連接方式，試驗平臺上由電池自主供電，利用衛星將數據傳輸到陸地，第三種是移動觀測方式，利用水下機器人或水下滑翔機，實現大范圍的時空觀測。
OOI觀測網包括區域網、近岸網、全球網。OOI中區域網最大，為有纜連接方式，設在東北太平洋的胡安德富卡板塊，也是“海王星”計劃中美國負責的部分。近岸網在東西海岸各建一個，東海岸外的先鋒陣列和西海岸外的長久陣列，主要采用錨系連接方式。全球網在具有全球意義的關鍵海區設置，包括阿拉斯加灣，伊爾明戈海，南大洋和阿根廷海盆四處，主要采用移動觀測方式。
⑴區域網
區域網是OOI觀測網最大的亮點。區域網采用有纜連接陣列，通過海底光纜以及水下接駁設備將各種地質地球物理、物理海洋，化學和生物傳感器等各種傳感器連接在一起，實時觀測從海底生物圈到整個海洋水柱、地震活動與流體等信息。
岸基站位于俄勒岡太平洋海域，系統敷設兩條光電復合纜，纜長880 公里，通過海底光纜向水下提供10KV，8KW的能量和10Gb/s的帶寬雙向通信。系統包括7個觀測節點，分別是PN1A、PN1B、PN3A、PN3B、PN5A、PN1C、PN1，水下實時監測信息通過海底光纜源源不斷傳回岸基。OOI區域網海底光纜及水下觀測節點分布基本情況如圖1所示。
圖1 OOI區域網海底纜及水下觀測節點分布圖
⑵近岸網
近岸網由兩條錨系陣列組成，即東海岸外的先鋒錨系陣列和西海岸外的長久錨系陣列。
先鋒錨系陣列如圖2所示布放配備了多種觀測儀器設備和傳感器，可以穿越鋒面、垂直等深線，進行陸架-陸坡鋒面的海洋環境研究。為了實現陸架折坡和陸坡大范圍的觀測，先鋒系列還提供了9個移動觀測平臺，包括5個滑翔機和3個AUV，作為錨系陣列的補充。
圖二：近岸網先鋒陣列示意圖
西海岸外長久錨系陣列如圖3所示，包括兩條線，一條華盛頓洲線，一條俄勒岡洲線，俄勒岡洲線采用有纜連接和無纜連接兩種方式，有纜連接方式與區域網連成一體，采用光電纜連接錨系陣列，由岸基通過纜系向錨系提供3000W電源和10GB的帶寬通信能力。華盛頓洲線采用無纜方式，由電池自主供電，利用衛星將數據傳輸到陸地。
圖三：近岸網長久錨系列陣列示意圖
⑶全球網
與近岸網和區域網不同，全球網布局分散，遠離陸地，不可能靠纜線連接聯成網路，只能是采用錨系組合并通過衛星傳輸信息的方式無線鏈接岸基中心。全球網的每個觀測陣列包含一套APEX 表層錨系，1套APEX剖面錨系，和2套側翼剖面錨系。當錨系的浮標位于海面以下深度，無法進行水面信號傳輸，就利用水下滑翔機，通過聲學信道連接水下滑翔機，獲取錨系獲取的水下傳感數據，然后利用滑翔機通過衛通信道實現與陸地的通信和數據傳輸。全球網錨系陣列如圖4所示。
圖四：OOI全球網錨系列陣列示意圖
⒉加拿大海底觀測網
加拿大海底觀測網有加拿大海王星海底觀測網（NEPTUNE CANADA）和金星海底試驗網絡（VENUS）。
⑴加拿大海王星海底觀測網（NEPTUNE Canada）
加拿大海王星海底觀測網（NEPTUNE Canada）是世界上第一個建成的大區域、多節點、多傳感器的海底科學觀測網絡，于2009年12月正式運行，主干網絡為800公里長海纜的多節點環形網，NEPTUNE Canada觀測范圍為水下17～2660米，整套觀測系統以800公里的海底光纖光電纜為主干，從溫哥華西岸出發，向外延伸到大洋中脊，具有6個海底觀測節點。分別是Folger Passage、Clayoquot Slope、Middle Valley 、Endeavour、Cascadia Basin 和Barkiey Canyon，如圖5所示。
圖五：加拿大海王星海底觀測網布局圖
NEPTUNE Canada海底觀測網是利用海底光電復合纜構建具備供電和數據傳輸、觀測和數據采集、遠程控制與數據處理分析為一體的綜合網絡，其節點敷設布局如圖6所示。
圖六：NEPTUNE 節點鋪設布局圖
該系統主要由3個部分組成：岸基監控中心，海底光纜傳輸網絡和海底觀測傳感儀器。NEPTUNE網絡包含一百多個水下監測設備，采用直流恒壓供電方式，能量輸送達到了60kW，信息傳輸達到10Gb/s。岸基監控中心是海底光纜網絡的運行監控中心、電能傳輸管理中心和海洋環境科研數據分析中心。水下接駁節點是海底光纜傳輸網絡的水下傳輸及控制節點，其主要功能是實現信息和電能的中繼、傳輸、分配及控制。它不僅將從海岸基站監控中心傳輸來的DC 10 kV高壓直流電能轉換為各種低壓直流電能，提供給不同的海底觀測傳感器使用，同時將各觀測傳感器采集到的原始數據信息(海水溫度、壓力等)，通過骨干光纖網傳送到岸基監控中心。
⑵金星海底試驗網絡（VENUS）
金星海底試驗網絡（VENUS）是一個近岸尺度的小型觀測系統的海底觀測網。第一條4公里長的單節點網于2006年完成，科學節點布放在山尼治灣內100米水深的區域，光電纜登陸點位于加拿大漁業和海洋研究所。在佐治灣海峽布設了第二條40公里長纜雙節點網，2個科學節點從弗雷澤三角洲延伸到穿過佐治亞海峽，用于研究300米水深內的海洋與生物作用。NEPTUNE Canada和VENUS兩個網絡是維多利亞大學的姊妹項目，它們擁有很多相同的設計理念，很多NEPTUNE Canada的實現都是在VENUS上進行的。
⒊日本的海底觀測網
日本是最早利用海底光纜網絡系統監視地震和海嘯等的國家，作為一個地震多發的國家，地震和海嘯的預警和研究是日本建設海底光纜網絡的首要目的。早在2003年日本就提出了宏偉的ARENA計劃，計劃在日本沿海岸線建設3千多公里長距離的海底光纜網絡，每個節點呈樹狀連接各種傳感器，但鑒于經費原因，取代實施的是DONET計劃。
⑴DONET網絡
DONET網絡堪稱是世界上最精密的地震海嘯海底光網絡。DONET網絡的主要特色是監測儀器的密集分布，DONET觀測網集中在紀伊半島以南的海域，總共有5個觀測節點，20個觀測站，海底光纜總長300公里，2011年建設完畢，布網工作共用時17個月，出動了個航次，動用87次ROV的下潛。
2011年日本東北9級地震，DONET網在800公里外，依然接收到了80MM幅度的海嘯記錄。2015年，日本建成DONET2觀測網，DONET2觀測網位于DONET網的西邊，規模比DONET網稍大一點，海底光纜總長450公里，總共有7個觀測節點，29個觀測站。兩個DONET網的建成，為日本來自南邊海域的地震和海嘯提供了海底預警裝置。日本南海岸外的DONET和DONET2海底觀測網如圖7所示。
圖七：日本南海岸外的DONET和DONET2海底觀測網
⑵S-NET網
2011年發生在日本東北方向而非南邊方向的大地震促使日本決心在東海岸建設長距離的S-NET網，S-NET海底光纜網于2015年建成，是迄今為止全球規模最大的海底光纜網絡。
纜線總長5700公里，S-NET網沿日本海溝布設，北起北海道，南抵東京灣東的房島半島，覆蓋從海岸到海溝的共計25萬平方公里的廣大海域，建設規模遠遠超過了當初的ANENA 計劃。
S-NET網由六大部分組成，由南向北為：房總系統（S1）、次城福島系統（S2）、宮城系統（S3）、巖手青森系統(S4)、圳路青森系統(S5)，沿日本海溝向布設的海溝軸外側系統(S6)。每個系統包括800公里長的纜線和25個觀測站，除海溝軸外側系統(S6)長達1600 公里；觀測站之間南北向相距50公里，東西相距30公里，做到每個地震源區有一個觀測站。S-NET 網示意圖見圖8。
圖八：日本 S-NET網組成示意圖
S-NET網在每距離50公里海域布放一個觀測站點，在該站點上，聯結與觀測對應的海底地震儀、海嘯測量儀、磁力儀、地球測量傳感器等各種儀器，用以收集各種探測器和傳感器接收的海洋信息，水下儀器最大作業水深為6000米。
由于日本經常遭受地震災害，要求水下光纜網絡具備較高的可靠性，即使地震造成某段海纜鏈路的故障，也不影響信息的傳輸。S-NET 網每個觀測系統的纜線有兩個登陸站，可以從兩個方向為光電纜提供高壓電源和數據信息，其目的是保證纜線發生故障時，觀測系統仍能繼續運行。S-NET網最大的貢獻是在供電系統技術上，提出了恒流分支組網技術的實現方案，并設計了可以將一路恒流轉為兩路電流值相等的恒流的設備。與NEPTUNE相比，S-NET網采用抗故障能力更強的恒流遠程供電技術，NEPTUNE技術本質還是在傳統海底遠程中繼器供電技術上的改動，而日本則將恒流供電技術大規模的應用到了水下信息網絡的建設中，提出了許多創新性的成果和結論。
⒋歐洲海底觀測網
歐洲的海底觀測從20世紀90年代開始在歐洲共同體框架下推進，主要有ES0NET計劃即歐洲海洋觀測網，ES0NET計劃于2004年由歐洲14個國家共同制定，在大西洋與地中海精選海區設站建網，進行長期的科學觀測，針對從北冰洋到黑海不同海域的科學問題，承擔一系列的科學研究項目。ES0NET計劃歷經四年的準備，海底觀測主基站已拓展到15個，包括11個深海主基站和4個淺水試驗基站，廣泛分布于從北冰洋和大西洋到黑海并穿越地中海的海域。每個主基站都有不同的觀測方向，見表1。
表一 歐洲海洋觀測網組成表
值得一提的是北冰洋FRAM纜系系統，為了更好地了解大洋環流對北極海洋生態系統的影響，德國極地所聯合其它一些機構在北冰洋思瓦爾德群島觀測網的基礎上，進一步完善北冰洋極地觀測網絡，2013年開始實施覆蓋整個弗拉姆海峽的FRAM纜系觀測系統，FRAM敷設纜長190公里，采用20KV和4AMP的供電，末端與HAUSGARTEN主基站相連，聯結各種傳感器，進行多科學觀測。相比較其它觀測網，FRAM系統各種設施包括浮標、海纜、儀器都得在北極嚴酷的條件下正常工作，良好解決極地極低溫下的工作技術問題，才能獲取北極地區海冰各層的數據。系統組成如圖9所示。
圖九：歐洲北冰洋FRAM纜系觀測系統組成
三、國內海底科學觀測網情況
我國在海底觀測網方面起步較晚，國內主要有浙江大學、同濟大學、國家海洋局等國內科研機構做了大量研究工作，就相關技術逐步開展了積極探索，在接駁盒技術、供電技術、海底觀測組網技術等方面取得了一定的成果。
⒈小衢山海底觀測試驗網
2009年，同濟大學在東海小衢山建立了海底觀測試驗站，該系統主要由1.1 千米長的主干光電纜，一個海底接駁裝置和3 套觀測設備組成，包括溫鹽深CTD、多普勒流速剖面儀ADCP和濁度儀。
ZERO系統是國內首個基于海底觀測網絡的深海觀測系統，2011 年4 月在NEPTUNE 的子實驗系統MARS上已經驗證通過。ZERO是一個單節點的實驗系統，其系統結構如圖10所示。Z岸基與主節點，主節點與次級接駁盒之間是通過光電復合纜連接，次級接駁盒與各類傳感器則是通過普通同軸電纜連接與供電，可以看出拓展范圍比較短，只有十幾米。其二期工程也已提上議程，將實現多節點的水下聯網。
圖十：ZERO系統的結構組成
⒉東海海底觀測網
2011年，同濟大學東海海底觀測網項目被列為上海市“十二五”科技發展規劃，在小衢山試驗站的基礎上，在舟山東部的長江口區域布設觀測網絡系統，其網絡結構如圖11所示。
圖十一：東海海底觀測網示意圖
觀測系統為環形布設，總長750千米長，主要應用于科學研究，以多普勒聲學海流儀、濁度儀等形成觀測點，通過光纖網絡向各個觀測點供應能量、收集信息，實時監控海洋信息，記錄地震和海嘯等數據，監控泥沙的走向等。
⒊南海海底觀測網
2013年5月，中國科學院支持建設的三亞海底觀測示范系統建成運行，該系統由岸基站、2千米長光電纜、1個主接駁盒和1個次接駁盒、3套觀測設備（包括視頻觀測、海底照明、多普勒流速剖面儀ADCP、多功能水質儀等）、1個聲學網關節點與3 個距離500 米到800米不等的溫深觀測節點構成，并具有擴展功能。岸基站提供10千伏高壓直流電，接駁盒布放在20米水深的海底，是我國相對具備較為完整功能的海底觀測示范系統。系統在高壓直流輸配電技術、遠程直流高壓供電技術、水下可插拔連接器應用技術、網絡傳輸與信息融合技術、低功耗高性能水聲通信節點、穩健網絡協議、水聲通信網與主干網協同機制等核心技術方面取得了突破，對加快建設我國長期海底觀測系統、全面提升我國海洋觀測能力和設備研發水平具有重要意義。
2012年，科技部建設我國首個“南海海底觀測網試驗系統”，系統布設位置為海南陵水附近海域，主要用于對南海海底的監控和探測。目前該海底觀測網已經完成100千米左右的建設，最大水深1700米。
四、海底觀測網總體結構與關鍵技術
當前國內外海底觀測網主要由海底主基站（主接駁盒）、光電復合纜、各種觀測儀器與觀測儀器適配器（即次接駁盒）、岸基遠程控制中心組成。其主要基礎設施按功能可劃分為電力系統和通信系統，具有供電、通信、監視與授時四大功能。總體物理結構如圖12所示。
圖十二：海底觀測網總體物理結構
海底觀測網主要需解決的關鍵技術包括：
⑴海底遠程電能供給技術
海底觀測網電能是從岸基站通過海底電纜輸送到海底的，根據科學觀測要求，海底電纜長達數千公里，海底主基站可達數十個以上，掛接用電觀測平臺可達數百個，電網拓撲為較為復雜的網形結構，因此電能供給技術是海底觀測網絡建設必須重點突破的關鍵技術。海底遠程電能供給主要需解決的技術包含海底負高壓直流輸配電技術、海底高壓高頻直流變換技術、海底遠程電力監控與故障隔離技術。
⑵海底接駁盒技術
海底接駁技術是海底觀測網絡技術中的重中之重，主要解決海底電能與信號傳輸、分配與管理等重大技術問題。海底接駁盒是對電能和數據信號進行集中轉換和處理的中間環節，是海底觀測網絡中的重要單元，主要包括三大功能模塊需研制；一是電能轉換、分配模塊；二是信號處理、存貯和通信模塊；三是觀測設備插座模塊。接駁盒一般由高壓轉中壓電源腔、中壓轉低壓電源腔、控制腔以及光電分離腔組成。
⑶海底遠距離信息傳輸技術
陸地光纜傳輸技術比較成熟，可是在海底利用海底通信傳輸設備，將信息經“次接駁盒－主接駁盒－主干光纜分支器”三級架構實現從水下到岸基的傳輸，由于海底環境的特殊性，需要研究水下傳輸結構與相關設備。其中由于水下中繼器的體積與可靠性限制，系統通常只容納1～6對光纖，采用密集波分復用（DWDM）技術，可使海纜通信系統的通信容量提高到數十Tb/s，若采用光分插復用分支器，可使海底主基站共享同一光纖對的容量，從而克服光纖對數對海底主基站個數的限制。目前海底中繼器和分支器多采用兩端恒流供電方式，從海纜中直接串聯取電，而海洋觀測網絡海底負荷多且功耗大，多采用恒壓供電方式，因此中繼器與分支器的供電取電也是一項需研究的問題。
⑷海底原位科學實驗技術
觀測儀器是觀測海洋現象和測量海洋要素的基本工具，海底長期原位觀測是未來海洋科技觀測的發展方向。近幾年，隨著復雜科學儀器的研究，總體趨勢是將試驗室直接布置在海底，建立滿足特定科學需求的原位試驗室。原位試驗室的特點是科學功能強大、智能化程度高、可靈活的操作和配備，將大大促進對海洋復雜運行機理的探索。原位試驗室通常對供電功率和通信帶寬有較高的要求，可充分發揮觀測網持續充裕供電和高速傳輸的優勢。
五、思考建議
目前國內科研單位已基本突破了纜系海底科學觀測網的關鍵技術，成功研制了大部分核心組網裝備的試驗樣機，但離長期高可靠性的實際工程化應用尚有不少距離。因此針對觀測網這一創新性的科學工具，目前尚有不少方面需要深入研究，為將來的大規模建設做好充分準備。海底觀測網絡工程龐大、投入高，建設中也應考慮軍民結合，軍隊和國民經濟相關部門、科研院所、高校等通力合作，共同攻關，充分發揮海底觀測網絡的建設效益。
【作者簡介】文章作者/黃玉宇 盧軍，分別來自華中科技大學附屬中學和烽火科技集團烽火學院。黃玉宇，華中科技大學附屬中學，學生；盧軍，烽火科技集團烽火學院，院長，教授級高工。文章來自《信息通信》（2018年第12期），參考文獻略，用于學習與交流，版權歸作者及出版社共同擁有，轉載備注由“溪流之海洋人生”微信公眾平臺整理。